汽车曲面品质分析及光顺优化方法研究

李 和

LI He

（襄樊学院 机械与汽车工程学院，襄樊 441053）

0 引言

在汽车的研发过程中，汽车曲面是汽车设计的一个重要的组成部分，光顺的车身曲面对于提高汽车的市场竞争力极为重要。车身造型、车身空气动力学性能等都与车身曲面有密切的关系，因此汽车曲面品质是影响汽车外观设计以及汽车性能的一个重要环节。同时，具有良好光顺性的曲面可以降低加工难度、缩短生产周期和降低成本。在保证车身曲面品质的要求下，准确全面的分析出车身的曲面品质，对曲面进行光顺优化，合理高效的设计出符合行业生产要求的曲面，是目前面临的课题。

1 车身曲面分类

汽车车身曲面按照其可见程度可以分为A、B、C三级曲面。车身的A级曲面，是指汽车车身外表面中的高可见区域，因其高可见性A级曲面的要求最高，曲面品质要求达到G2阶曲率连续或G2阶以上连续。车身A级曲面包括发动机引擎罩、车门、后背门、顶盖、前后翼子板、前后保险杠等。

车身的B级曲面指车身上的少可见区域，或不重要的表面，因为是少可见区域，所以其要求相对较低，G1阶连续或G1阶以上曲率连续即可，B级曲面包括门框、仪表板和门内饰板下表面等。

车身C级曲面指车身上的极少可见曲面，或不可见曲面，其光顺要求最低，G1阶曲率连续即可，车身C级曲面主要包括车身的内部结构件等。

2 车身曲面品质分析方法

常用的曲面品质分析方法有：实体表面或曲面颜色曲率图，包括高斯曲率、最大最小曲率、平均曲率、截面线等；圆柱、地平线或纹理图视；用曲率梳进行截面分析和利用控制顶点网格分析。常用于车身曲面品质检查方法有光照模型法、曲面曲率法、等高线法等，其中等高线法用的不多，一般用这种方法检查点云和三角面的质量。

车身曲面必须具备精确性、连续性以及光顺性；符合设计意图，符合美学要求；必须同车身的结构设计、车身制造工艺相结合。计算机辅助设计（CAD）技术在汽车设计领域的应用改进了汽车制造业的现状，在CAD软件平台中通常用以下几种方法评价汽车曲面品质：1）曲率梳分析法，通过各截面线的曲率梳的形状和变化分析曲面的品质；2）高斯曲率分析法，曲面的高斯曲率值与设定的颜色相关联，曲面的高斯曲率变化可通过颜色变化分析得知，通过颜色的过渡自然与否判定曲面的协调性；3）斑马线分析法，通过观察一组等距离的黑色条纹在曲面上的反射曲线的间隔是否均匀，或者变化是否均匀，来判定曲面的质量。评价和判断曲面品质高低，多综合运用以上方法。

3 车身曲面的光顺准则

曲面光顺准则是曲面品质分析的重要依据，光顺指曲面的光滑性和无波动性。参照施法中和朱心雄的定义可归纳，曲面片满足G2连续，无多余拐点，曲率分布均匀，应变能最小。

曲面光顺可根据曲面上的关键曲线，例如u、v方向的参数线等是否光顺以及曲面的主曲率、高斯曲率、平均曲率等曲率的变化是否均匀等来判断。具体评判准则为：1）曲面的u、v等参数线应达到光顺；2）构造曲面时网格线无多余拐点和挠点达到光顺；3）曲面与平行且间隔相等的某一组平面的截面线应达到光顺；4）曲面高斯曲率变化均匀；5）二次曲面的主曲率在节点处的左、右曲率差的跃度和尽量小[3]。

4 车身曲面光顺优化方法

对车身曲面的光顺优化可从车身曲面的内部质量、曲面之间的连续性，以及曲面片划分和有效使用曲面分析优化工具等方面进行优化。

4.1 曲面内部质量

在进行曲面优化前，需对曲面优化后所要达到精度要求，加工过程需要满足的要求等有充分的认识和了解。通常进行曲面优化修改时，当对一个曲面作了修改，则会驱动和它相关联的几个曲面发生改变，这是因为曲面的定位点和控制点不是孤立存在的，而是相互关联的，所以极小的调整和改变都会涉及到整个面片，影响到曲面与其连接曲面间的相互关系。

同时因视曲面重要程度而定其是否需要修改，位于高可见区域的曲面，例如车身内、外覆盖件等曲面质量的要求严格，需要按要求对其进行相关的修改调整，位于在低可见区域或极少见区域，曲面的修改可以不做。

4.2 曲面片划分准则

其一，曲面片划分过多则会随着曲率连续的变化，引起曲面片间或者曲面中间的振动和不连续问题，因此须避免划分过多的面片。其二，曲面曲率变化较小或较均匀处，可划分较少的曲面片；对于曲率变化均匀的较大曲面，尽量用一张曲面去造型。其三，曲面曲率变化较大或变化不均匀处，特别是曲率急剧变化出，为避免形成皱纹面，应将曲面划分为几个曲面片造型后，再进行拼接。其四，在保证型值点能够有效的控制曲面形状的前提下，划分后的曲面片型值点越少越好；为减少三边封闭的退化曲面，划分后的曲面片尽量为四边形域曲面。最后，以先大曲面后小曲面为原则，尽量使用大面积曲面达到设计意图。

4.3 相邻曲面的关系

曲面相邻的面片之间有四种连续级别：曲率连续（G2~G3）、相切连续（G1~1阶）、相交（G0~0阶）和不相交。对于高可见区域多采用三阶连续，为曲率连续，例如单一特征的大曲面片应达到G3连续和光顺，极少部分采用2阶曲率连续。相切连续常用于不可见区域，或者极少可见区域的曲面。相交往往用于构造示意图。有缝隙或者有特殊需要则采用不相交。

目前多数曲面建模软件的曲面生成方法均以四边域为基础，因此在曲面片拼接时，需要满足多条边界的连续性要求。对于汽车车身曲面多数曲面片拼接要求满足G2连续，特殊结构和位置，要求满足G3连续。

4.4 有效使用曲面分析优化工具

目前的车身曲面设计是通过三维建模软件把车身曲面构建出来，然后进行曲面分析优化。有效使用曲面分析优化工具，就能鉴别曲面的缺陷，如不连续，扭曲和断裂等现象。例如使用曲面分析工具如高斯曲率、最小和最大曲率半径及平均曲率就能及时发现的问题。曲率梳，高斯曲率，斑马线等都是检验曲面品质的常用工具，可用来评价曲面内部质量以及曲面之间连续性，应该综合应用才能对曲面进行更好的光顺优化处理，以达到要求。

5 结束语

本文对汽车车身曲面品质的分析方法，车身曲面的光顺准则，以及汽车车身曲面的光顺优化方法进行了讨论。针对汽车曲面品质分析及光顺优化方法研究，需要在以后的研究中进行不断的探讨，并尽可能得到更好更有效的方法。

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